20.02.2014 - Max-Planck-Institut für Neurobiologie

Neue Leuchten für die Forschung

Neue Klasse fluoreszierender Indikator-Moleküle

Im Jahr 2008 wurde der Nobelpreis für die Entdeckung und Entwicklung des Grün Fluoreszierenden Proteins (GFP) vergeben. Nun stellt Oliver Griesbeck, früherer Mitarbeiter eines der Nobelpreisträger und heutiger Leiter einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried bei München mit einem internationalen Kollegenteam eine neue Klasse fluoreszierender Indikator-Moleküle vor. Mit den neuen Indikatoren können einzelne Aktionspotentiale und somit die Aktivität von Nervenzellen oder auch die Wanderung auto-aggressiver Immunzellen zeitlich unbegrenzt beobachtet werden.

Wohin wandern Nervenzellen während ihrer Entwicklung? Wie gelangen auto-aggressive Immunzellen ins Gehirn? Welche Nervenzellen sind wie miteinander verschaltet, damit eine Entscheidung gefällt oder eine Erinnerung geformt werden kann? Die Antworten auf diese und viele andere Fragen sind in der Regel weniger als einen Tausendstel Millimeter groß. Versteckt zwischen unzähligen anderen Zellen bleibt die Bewegung oder Verschaltung einzelner Zellen auch mit den besten Mikroskopen unsichtbar. Es sei denn, die Zellen werden aus der Masse hervorgehoben.

Kalzium-Indikatoren lassen Zellen leuchten

Um das Unsichtbare sichtbar zu machen, entwickeln Wissenschaftler zunehmend effektivere Fluoreszenzfarbstoffe. Aktionspotentiale von Nervenzellen oder wandernde Immunzellen können mit Hilfe kleiner Änderungen der Kalziumkonzentration in den Zellen sichtbar gemacht werden. Kalzium kommt in jeder Zelle des Körpers vor, wo es meist gebunden vorliegt. Wird eine Zelle aktiv, erhöht sich vorübergehend die zellinterne Konzentration an freiem, ungebundenem Kalzium. Farbstoffe, die Kalzium binden und dadurch ihre Farbe oder Helligkeit ändern, machen diese Zellvorgänge sichtbar. Solche Kalzium-Indikatoren können in Zellen injiziert werden und heben einzelne Zellen im Gewebe, Zellbestandteile oder bestimmte Zellvorgänge unter dem Mikroskop hervor. Die Farbstoffe verblassen jedoch meist nach kurzer Zeit, sodass Langzeitbeobachtungen kaum möglich sind.

Eine Alternative zu synthetisch hergestellten Kalzium-Farbstoffen sind genetisch kodierte Indikatoren. Durch Einschleusen eines Gens können einzelne Zellen den Indikator selbst herstellen. Der Farbstoff wird ständig nachproduziert und störende Eingriffe, wie das Anstechen einer Zelle um den Indikator einzubringen, sind überflüssig. Obwohl deutlich besser für Untersuchungen geeignet, haben diese genetisch-kodierten Indikator-Moleküle Nachteile: Sie sind weniger empfindlich und nicht mit allen Zielzellen kompatibel.

Das Beste aus zwei Lagern

Im Fachmagazin Nature Methods stellen nun Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie mit einem internationalen Kollegenteam die nächste Generation der Fluoreszenzfarbstoffe vor. „Wir wollten die kleinstmöglichen Indikatoren entwickeln, die aber immer noch alle funktionalen Vorteile haben“, berichtet Oliver Griesbeck, der Leiter der Studie. Um dieses Ziel zu erreichen, entwarfen sie 100.000 leicht unterschiedliche Varianten des Indikatorgens und brachten sie in Bakterienkolonien ein. Nebeneinander in der Kulturschale konnten die Forscher dann die verschiedenen Varianten direkt unter dem Fluoreszenzmikroskop vergleichen. Nur die besten Indikatoren schafften es in die jeweils nächste Entwicklungsrunde. Nach rund 5 Jahren intensiver Arbeit ist es nun geschafft – die Wissenschaftler stellen ihre neuen "Twitch"-Sensoren vor.

„Diese Indikatoren sind besser als alles bisher Verfügbare“, schwärmt Griesbeck. Die Indikatoren sind kleiner als bisherige Modelle, bei deutlich erhöhter Leistungsfähigkeit. Dadurch ist ihr Einfluss auf Zellvorgänge vernachlässigbar – sie konkurrieren zum Beispiel kaum mit anderen Prozessen um freigesetztes Kalzium. Zudem vereinen die "Twitch"-Sensoren die Vorteile der bisherigen Indikatortypen: Sie sind von ihrer Empfindlichkeit vergleichbar mit synthetischen Indikatoren und haben die Langlebigkeit genetisch kodierter Farbstoffe. Selbst Immunzellen, die immer etwas heikel waren, nehmen die neuen Indikatoren problemlos auf. So lässt sich ihre Aktivierung und Wanderung durch den Körper nun problemlos unter dem Mikroskop verfolgen. „Jetzt muss es nicht mehr besser werden“, freut sich Oliver Griesbeck. „Von Seiten der Indikatoren steht der Untersuchung aggressiver Immunzellen und anderer Vorgänge im Körper nichts mehr entgegen.”

  • Thomas Thestrup et al.; Optimized ratiometric calcium sensors for functional in vivo imaging of neurons and T-lymphocytes; Nature Methods, Volume 11, Februar 2014
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